JP2009145082A - 微小移動装置及び微小移動装置を用いた位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ベース及び移動体間の予圧力付与機構と、移動体のガイド機構との各々について小型化及び薄型化を実現し、ガイド性能の更なる高精度化を行える微小移動装置及び位置決め装置を提供する。
【解決手段】微小移動装置２ａが、一部に磁性体を含むベース３と、ベース３上面に形成されたほぼ直線状の溝からなる溝ガイド部１２と、溝ガイド部１２に平行に形成されたベース３上面よりも低い底面を有する平面ガイド部１１と、溝ガイド部１２内を摺動可能に設けられた第１のスペーサ８、９と、平面ガイド部１１内を摺動可能に設けられた第２のスペーサ１０と、第１のスペーサ８、９及び第２のスペーサ１０と固定されベース上面に設けられ、一部に磁性体を含む移動体５と、移動体５に衝撃力を付与することで移動体５をベース３面上で移動させる衝撃力発生手段と、移動体５とベース３とを相互に吸引させる磁力を発生する磁力発生手段１５とを備える。
【選択図】図３

Description

この発明は微小移動装置及び位置決め装置に関する。

従来、この種の代表例としては、摩擦力の作用下にある移動対象質量に、該摩擦力よりも大きな衝撃力を与えることにより、並行移動或いは姿勢制御を行う微小移動装置（特許文献１参照）や、圧電・電歪素子を用いた衝撃力による微小移動装置（特許文献２参照）が知られている。衝撃力を発生する手段として、前者は電磁反発力を、後者は圧電素子の急速変形をそれぞれ利用した微小移動装置であり、これらはいわゆる「インパクト機構」と呼ばれている。このインパクト機構は小型単純構造であって微小ステップ移動が可能であり、この長所に着目して、例えば、精密位置決めテーブルやマイクロマニピュレータ等が提案されている。特許文献３によれば、圧電素子の急速変形を利用したインパクト機構は単純な構造でありながら、１０ｎｍ〜１０μｍ程度の微動が可能であるとしている。

圧電素子の急速変形を利用した従来の微小移動装置は、摩擦で保持された移動体に圧電素子と慣性体とを取り付けただけの簡単な構造であって、原理上は移動範囲に制限が無く高い位置決め能力を有している。なお、電磁反発力を用いた従来の微小移動装置にも、圧電素子を用いた場合の効果と同様の効果を期待できる。

ところが、電磁反発力を用いたものと圧電素子の急速変形を利用したものとに係らず、摩擦駆動タイプの微小移動装置に共通の課題として、移動体とベースとの間には所定の摩擦力を付与するための予圧力が必要となる。この予圧力を付与する機構が大型化すると、インパクト機構はコンパクト構造という特長を持ちながら、微小移動装置全体としては大型化する。また、従来の微小移動装置においては移動体とベースとの間の摺動部が平面状に形成されており、高い精度でリニア駆動を行うためには、別途、移動体を面上で真っ直ぐに動かすためのガイド機構が必要である。このように、従来の構成の多くは、板バネやコイルバネによる予圧力付与機構が一般的であり、この予圧力付与機構とガイド機構とを個々に設計すると、装置全体が大型化する。さらに、移動体およびベース間の摺動面の均一性を確保するためには、この摺動面を高精度に仕上げ加工する必要があり、装置の大きさや製作コストの観点から、満足できるものでは無い。

そこで、このような状況を鑑み、V溝形状に加工された摺動部を用いて、磁気吸引力で、移動体及びベースの間に予圧を付与する構成が提案されている（特許文献４参照）。この構成によれば、予圧力付与機構の小型化と共に、高精度リニア駆動が可能な微小移動装置を提供することができる。
特開昭６０−６０５８２号公報 特開昭６３−２９９７８５号公報 特公平６−９１７５３号公報 特開昭６１−２４６８１２号公報

ところが、特許文献４に記載の微小移動装置でも、第一にガイド機構の薄型化が難しいこと、第二にガイド機構のガイド性能の高精度化が不十分であることが課題として挙げられる。上記第一の課題は、ガイド機構のV溝部に移動体が入り込んだ構成となっているため、ガイド機構を高さ方向について薄くできないことによるものである。この時、V溝の傾斜面の成す角度が大きいと高精度にガイドを行えずガイド性能が悪化し、とくに、垂直方向（ガイド機構の高さ方向）の軸回りに移動体を保持する力が不足するために、駆動される移動体の姿勢が不安定になる恐れがある。逆にこのV溝の角度が小さいとガイド機構の高さ方向の厚さが大きくなってガイド機構が更に大型化する。

このことは、とくに、微小移動装置を２台用い、各移動方向が互いに直交するようにこれらの装置が配置されてなるX-Y移動テーブルを構築した場合などにおいて、その影響は大きい。つまり、下段移動ステージの上に上段移動ステージが搭載された構成となるため、上段移動ステージの大型化は下段移動ステージの負荷条件を厳しくし、下段移動ステージの性能劣化を招く。また、上段移動ステージの運動精度は、下段移動ステージのガイド性能により大きく影響を受ける。上段移動ステージが精度よく動かされても、下段移動ステージが傾いたり、回転する場合、上段移動ステージのガイド性能が劣化する。いわゆる、アッベの原理に従えば、駆動精度を高めるためには、上段移動ステージのガイド部と下段移動ステージのガイド部とを高さ方向で出来る限り近づける必要がある。これはｘ軸及びｙ軸の間の距離を近づける必要があることを意味し、ガイド機構の薄型化が重要課題の一つであることを示している。

上記第二の課題は、V溝ガイド面と移動体との摺動面が互いに面接触であるために、ガイドの高精度化を容易に図れないことによるものである。摺動面の均一性を確保し、ガイド性能を高精度化するためには、移動体およびベースの摺動面を高精度に仕上げ加工する必要がある。これは、従来の平面ガイドを用いた場合でも同様の課題があるが、摺動部をV溝状に加工したガイド機構の加工の難しさは、平面ガイドの加工の難しさに比べて逆に増しており、製作面から改善が求められている。特許文献４に記載の微小移動装置では、移動対象物の脚部と、係合溝の傾斜面とが４箇所の面において接触しており、これらの脚部及び傾斜面を誤差なく加工することは難しい。

そこで、本発明の目的は、予圧力付与機構およびガイド機構のそれぞれについて小型化及び薄型化を実現し、かつ、ガイド性能の更なる高精度化を達成することが可能な微小移動装置及びこの微小移動装置を用いた位置決め装置を提供することにある。

このため、本発明の一態様によれば、少なくとも一部に磁性体を含むベースと、このベース上面に形成されたほぼ直線状の溝からなる溝ガイド部と、この溝ガイド部に平行に形成された前記ベース上面の平面ガイド部または前記ベース上面よりも低い底面を有する平面ガイド部と、前記溝ガイド部内を摺動可能に設けられた第１のスペーサと、前記平面ガイド部内を摺動可能に設けられた第２のスペーサと、前記第１のスペーサ及び前記第２のスペーサに固定され、前記ベース上面に設けられて、少なくとも一部に磁性体を含む移動体と、この移動体に衝撃力を付与することにより、この移動体を前記ベース面上で移動させる衝撃力発生手段と、前記移動体と前記ベースとを相互に吸引させる磁力を発生する磁力発生手段と、を備えたことを特徴とする微小移動装置が提供される。

また、本発明の別の一態様によれば、ベースと、このベース上面に形成されたほぼ直線状の溝からなる溝ガイド部と、この溝ガイド部に平行に形成された前記ベース上面の平面ガイド部または前記ベース上面よりも低い底面を有する平面ガイド部と、前記溝ガイド部内を摺動可能に設けられた第１のスペーサと、前記平面ガイド部内を摺動可能に設けられた第２のスペーサと、前記第１のスペーサ及び前記第２のスペーサに固定され、前記ベース上面に設けられた移動体と、この移動体に衝撃力を付与することにより、この移動体を前記ベース面上で移動させる衝撃力発生手段と、それぞれが対向して前記移動体と前記ベースとに設けられて、前記移動体と前記ベースとを相互に吸引させる磁力を発生する磁力発生手段と、を備えたことを特徴とする微小移動装置が提供される。

更に、本発明の別の一態様によれば、第１の微小移動装置と、第２の微小移動装置と、を備え、前記第１の微小移動装置及び前記第２の微小移動装置は、少なくとも一部に磁性体を含むベースと、このベース上面に形成されたほぼ直線状の溝からなる溝ガイド部と、この溝ガイド部に平行に形成された前記ベース上面の平面ガイド部または前記ベース上面よりも低い底面を有する平面ガイド部と、前記溝ガイド部内を摺動可能に設けられた第１のスペーサと、この平面ガイド部内を摺動可能に設けられた第２のスペーサと、前記第１のスペーサ及び前記第２のスペーサに固定され、前記ベース上面に設けられて、少なくとも一部に磁性体を含む移動体と、この移動体に衝撃力を付与することにより、この移動体を前記ベース面上で移動させる衝撃力発生手段と、前記移動体と前記ベースとを相互に吸引させる磁力を発生する磁力発生手段と、を備え、前記第１の微小移動装置と前記第２の微小移動装置とはそれぞれの溝ガイド部の溝方向が交叉するように配置され、且つ前記第１の微小移動装置の前記ベースと前記第２の微小移動装置の前記移動体とが固定され、前記第１の微小移動装置が前記第２の微小移動装置のベース上で移動することを特徴とする位置決め装置が提供される。

また、本発明の別の一態様によれば、第１の微小移動装置と、第２の微小移動装置と、を備え、前記第１の微小移動装置及び前記第２の微小移動装置は、ベースと、このベース上面に形成されたほぼ直線状の溝からなる溝ガイド部と、この溝ガイド部に平行に形成された前記ベース上面の平面ガイド部または前記ベース上面よりも低い底面を有する平面ガイド部と、前記溝ガイド部内を摺動可能に設けられた第１のスペーサと、前記平面ガイド部内を摺動可能に設けられた第２のスペーサと、前記第１のスペーサ及び前記第２のスペーサに固定され、前記ベース上面に設けられた移動体と、この移動体に衝撃力を付与することにより、この移動体を前記ベース面上で移動させる衝撃力発生手段と、それぞれが対向して前記移動体と前記ベースとに設けられて、前記移動体と前記ベースとを相互に吸引させる磁力を発生する磁力発生手段と、を備え、前記第１の微小移動装置と前記第２の微小移動装置とはそれぞれの溝ガイド部の溝方向が交叉するように配置され、且つ前記第１の微小移動装置の前記ベースと前記第２の微小移動装置の前記移動体とが固定され、前記第１の微小移動装置が前記第２の微小移動装置の前記ベース上で移動することを特徴とする位置決め装置が提供される。

本発明の微小移動装置によれば、ベース及び移動体間に予圧を付与する予圧力付与機構と、移動体を溝ガイド部に沿ってガイドするガイド機構とのそれぞれについて小型化及び薄型化を実現することができ、かつ、ガイド機構のガイド性能の更なる高精度化を容易に達成することができ、装置全体の小型化を図ることができる。本発明の位置決め装置によれば、コンパクトな構造で高精度に対象物をガイドすることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る微小移動装置及び位置決め装置について、図１乃至図６を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る位置決め装置は、ｘ軸及びｙ軸の各方向に沿って対象物を動かすように配置された微小移動装置を２台用いて構築されたＸ−Ｙ移動テーブルである。

図１はＸ−Ｙ移動テーブル１の斜視図であり、図２は図１のＸ−Ｙ移動テーブル１の分解斜視図である。このＸ−Ｙ移動テーブル１は、x軸に沿って移動可能にｘ軸上に設置された微小移動装置２ａと、ｙ軸に沿って移動可能にｙ軸上に設置された微小移動装置２ｂとからなり、これらの微小移動装置２ａ及び２ｂは各移動方向が互いに直交するように配置されている。つまり、微小移動装置２ｂが下段移動ステージであり、この微小移動装置２ｂの上に微小移動装置２ａが上段移動ステージとして搭載されている。

微小移動装置２ａは、ベースとしてのガイドベース３と、このガイドベース３の上に設けられた後述する複数のスペーサと、各スペーサを介してｘ軸方向に沿って移動可能にされた衝撃力発生手段４とを備えている。ガイドベース３と衝撃力発生手段４との間には磁気吸引力によって予圧が付与されている。微小移動装置２ｂも、ガイドベース３、ガイドベース３上に設けられた複数のスペーサ、及び各スペーサを介してｙ軸方向に沿って移動可能にされた衝撃力発生手段４を備えている。微小移動装置２ｂのガイドベース３及び衝撃力発生手段４間にも磁気吸引力によって予圧が付与されている。

各衝撃力発生手段４は、ガイドベース３上に予圧力によって保持された移動体５と、この移動体５に一端面が固定され且つ電圧によって軸方向に伸縮可能な圧電素子６と、この圧電素子６の他端面に固定された慣性体７と、所定の時間パターンで波形が変わる電圧を圧電素子６へ印加する図示しない電圧印加回路とを備えている。これらの微小移動装置２ａ及び２ｂの基本構成は同じである。各衝撃力発生手段４は圧電素子６の急速変形を利用した圧電インパクト機構の駆動原理に従って駆動可能にされている。つまり、衝撃力発生手段４は、移動体５と慣性体７とを圧電素子６で結合してなり、移動体５をガイドベース３の上に予圧力で保持した構成となっている。

具体的には、微小移動装置２ａの衝撃力発生手段４の移動体５を−ｘ方向に移動させる場合、圧電素子６が縮んでいる状態から急激に伸ばすと、移動体５と慣性体７とが互いに離れる方向に移動する。次に、圧電素子６の長さをゆっくりと元の長さに戻し、圧電素子６が元の長さに戻ったところでこの圧電素子６の変形を急に止めると、慣性体７が移動体５に衝突した形となり、移動体５は−ｘ方向に移動する。また、微小移動装置２ａの移動体５を+ｘ方向に移動させる場合、圧電素子６が急速変形する動作とゆっくりと変形する動作とが逆のタイミングで行われるようにこの圧電素子６に電圧が加えられる。微小移動装置２ｂの衝撃力発生手段４の移動体５を＋ｙ方向及び−ｙ方向に移動させる場合の駆動動作も、微小移動装置２ａの移動体５を−ｘ方向及び＋ｘ方向に移動させる場合の駆動動作と同様である。

ここで、微小移動装置２ａのガイドベース３と微小移動装置２ｂの移動体５とは一体的に結合された構成となっている。接着固定若しくはネジ締結、またはガイドベース３と移動体５とを一体加工によって成形するなど、公知の結合手段を用いてこれらのガイドベース３及び移動体５は結合されている。そして、圧電素子６に電圧が印加されて慣性体７が加速されると、移動体５はその反力によって動かされるようになっている。

図３（ａ）は＋ｘ方向から見た微小移動装置２ａの正面図である。図３（ｂ）は移動体５を取り除いた状態でのガイドベース３の上面図である。移動体５とガイドベース３とは、非磁性体製の球体形状のスペーサ８、９及び１０によって所定の空隙Ｗを持って向かい合うように配設されている。スペーサ８及び９は第１のスペーサであり、スペーサ１０は第２のスペーサである。ガイドベース３の上には、スペーサ１０が接触摺動する平面ガイド部１１と、スペーサ８及び９が接触摺動するV溝ガイド部１２とが形成されている。V溝ガイド部１２はガイドベース３上面に形成されたほぼ直線状の溝からなる溝ガイド部である。平面ガイド部１１はこのＶ溝ガイド部１２に平行に形成されて、ガイドベース３上面よりも低い底面を有する平面ガイド部である。これらスペーサ８、９及び１０の上部は、これらの平面ガイド部１１及びV溝ガイド部１２に対応するそれぞれの位置において移動体５側に接着固定されている。

移動体５とガイドベース３とはいずれも強磁性体製であり、さらに、ガイドベース３は、長手方向に沿って並置された２つの分割体１３、１４と、これらの分割体１３及び１４の間に挟まれた磁力発生手段である永久磁石１５とから構成される。すなわち、ガイドベース３は、平面ガイド部１１側とV溝ガイド部１２側とに概ね２分割された構造を有し、分割体１３及び１４の間に永久磁石１５をサンドイッチした構成となっている。分割体１３の上面には、V溝ガイド部１２の溝長さ方向に沿ってV溝ガイド部１２の両側に一対の第一磁極部１６及び１７が形成されている。分割体１４の上面には、平面ガイド部１１に対して段差状に配置された第二磁極部１８が形成されている。

そして、永久磁石１５が作る磁気ループM１は、第一磁極部１６及び１７を通って移動体５の中に入り、第二磁極部１８を介して永久磁石１５に戻る閉回路を構成している。この磁気ループM１により、第一磁極部１６及び１７と第二磁極部１８とが移動体５を磁気吸引し、移動体５とガイドベース３との間に予圧力が付与されている。

また、−ｙ方向から見た微小移動装置２ｂの正面形状は図３（ａ）に示す微小移動装置２ａの正面形状と同じである。

このような構成の本実施形態に係る微小移動装置２ａ及び２ｂの各圧電素子６に対して電圧印加回路から電圧が加えられる。微小移動装置２ａについては、まず、急速に圧電素子６が伸ばされると、衝撃的な慣性力が発生する。慣性体７は空中に浮いているため、この慣性体７は空中に留まろうとする慣性力として働く。慣性力は踏ん張る力として移動体５に作用し、慣性力が移動体５及びガイドベース３の間の予圧力に打ち勝って移動体５は移動する。圧電素子６の力が予圧力に比べて十分大きい場合、移動体５の質量と慣性体７の質量との比に応じて決まる伸び量だけ移動体５は−ｘ方向に変位する。次に、ゆっくりと圧電素子６の長さが元の長さに引き戻されると、慣性体７の位置が元に戻される。これらの変形動作が繰り返されることによって、移動体５は−ｘ方向に徐々にステップ状に移動していく。また、伸びた状態の圧電素子６を急速に縮めてから、この圧電素子６をゆっくりと元の伸びた状態に伸ばすという変形動作が繰り返されことにより、移動体５は＋ｘ方向に徐々にステップ状に移動していく。これによって、微小移動装置２ａは、ｘ軸方向に沿って微小距離移動する。

同様に、微小移動装置２ｂは、ｙ軸方向に沿って微小距離移動する。これによって、微小移動装置２ａ及び２ｂからなるＸ−Ｙ移動テーブル１は、ｘ軸及びｙ軸の各方向に沿って微小距離変位することができる。

このように、本実施形態に係る微小移動装置２ａ及び２ｂでは、移動体５とガイドベース３とが、スペーサ８、９及び１０によって所定の空隙Wを持って配設されており、これらスペーサ８、９及び１０の上部は移動体５に固定されるとともにスペーサ８、９及び１０の下部はガイドベース３の面を接触摺動する。スペーサ８及び９と接触するガイドベース３の部位はV溝形状をなし、スペーサ１０と接触するガイドベース３の部位は平面形状をなすよう形成されているため、V溝ガイドの高さ寸法を極めて短く形成することができ、ガイド機構の薄型化が図れる。

換言すれば、本実施形態に係る微小移動装置２ａ、２ｂは、移動体５をガイドすること、及び予圧をかけることが可能にされた配置構造を有する。仮に溝幅が細いＶ溝を形成されたガイドベースを用いて、この細いＶ溝に移動体の一部を載せた構成が用いられる場合、この移動体はｚ軸方向へのモーメントを受けることができずに傾くため適切なガイドが行われない。微小移動装置２ａ、２ｂでは、左側の分割体１３の中ほどにＶ溝を作り、移動機構をこのＶ溝の中に入れている。そして、移動機構を入れた状態のＶ溝を図３（ａ）の左側に配置して、図３（ａ）の右側の平面部において移動体５の位置決めを行っている。右側の平面部において移動体５の転倒や傾斜が起きないように、この移動体５がスペーサ１０により支持されている。スペーサ１０は移動体５を支えているため、この平面部において移動体５がスペーサ１０から落下すること、及び移動体５がスペーサ１０から外れることが生じない。

このように、左側の直線状のＶ溝においてガイドが行われ、永久磁石１５において吸引が行われて、更に平面部において移動体５がモーメントを受けられるように移動体５の姿勢の安定化が図られている。例えばこのＶ溝と平行に右側に溝が形成されたガイドベースを用いる場合、これらの溝が極めて高い平行度や平坦度を有するようにガイドベースの上面を加工する必要がある。本実施形態に係る微小移動装置２ａ及び２ｂは、２本の平行溝を設けずに、ガイドベース３の右側に平面ガイド部１１を形成して構成される。

また、この平面ガイド部１１により、移動体５に発生するこの移動体５と球状のスペーサ８及び９との支点周りの回転モーメントも抑えられる。移動体５の回転が抑えられる点でも、移動体５の移動時の姿勢の安定化が図れる。

また、本実施形態に係る微小移動装置２ａ、２ｂでは、スペーサ８、９及び１０には非磁性体製の球体形状スペーサのみが用いられており、移動体５中の磁力発生手段の磁気ループの一部を形成する部分が強磁性体製である。ガイド機構中のこの磁気ループの一部を形成する部分も強磁性体製である。接触状態が例えば線接触である場合、移動体５の位置によらずにこの接触状態を常に均一に保持するため、接触面について高い加工精度と高い組立精度とが要求される。微小移動装置２ａ、２ｂが球体形状スペーサのみを用いることにより、V溝ガイド部１２についての接触面についての加工条件の制約は緩和され、製作コストの低下や量産性の向上を期待することができる。また、球体形状スペーサが用いられることにより、スペーサ８、９及び１０の下部とガイドベース３との間が点接触になるので、加工や組立の誤差による摺動特性のバラツキを小さく抑えることができ、移動特性の安定性の向上が図れる。

また、本実施形態に係る微小移動装置２ａ、２ｂでは、V溝ガイド面と移動体５とが面接触しておらず、点接触しているため、従来の微小移動装置に比べてガイド性能の改善が図れる。

さらに、V溝ガイド部１２と接触摺動するほうのスペーサ８、９が２つに分かれて配置されているので、これらの球体形状スペーサ８、９及び１０により、ガイドベース３と３点で接触する安定支持性能を獲得することができる。これにより、長ストロークで精密な位置決め性能を比較的安価に実現することができる。

また、スペーサ８及び９とスペーサ１０との間に永久磁石１５が設けられており、磁気吸引力が作用する位置は、閉磁路中、第一磁極部１６、１７と、第二磁極部１８との２箇所である。すなわち、ガイドベース３及び移動体５の間にスペーサ８及び９を介して作用する力の作用点と、ガイドベース３及び移動体５の間にスペーサ１０を介して作用する力の作用点との間に、永久磁石１５が配設されている。このため、移動体５とガイドベース３とが離れないようにして、これらの間に予圧が付与されることができる。

また、微小移動装置２ａ、２ｂを２台用いて、ｘ方向及びｙ方向にそれぞれ移動可能としたX-Y移動テーブル１を構築することができる。この場合、ガイド機構が薄型化されることにより、X-Y移動テーブル１は、下段移動ステージのガイド性能に起因する上段移動ステージの運動精度の劣化を抑えることができ、コンパクト構造で対象物を高精度にガイドすることが可能になる。

（第１の実施形態の変形例）
上記第１の実施形態では、スペーサ８、９及び１０はいずれも移動体５側に埋め込まれて、これらのスペーサ８、９及び１０の上部が移動体５に固定されていたが、スペーサ８、９及び１０はガイドベース３側に埋め込むように構成することもできる。ガイドベース３にスペーサ８、９及び１０を埋め込んだ場合、上下が反転し、移動体５の底面、即ちスペーサ対向面にＶ溝及び平面部が設けられるようにして微小移動装置２ａ及び２ｂが構成される。この場合、ガイドベース３の上面は外観半円球形状の凸部を呈する。

この変形例に係る微小移動装置及び位置決め装置によれば、半円球型のスペーサが面上に形成されたガイドベースと、Ｖ溝及び平面部が形成された移動体とによって、上記本発明の第１の実施形態に係る微小移動装置２ａ、２ｂによって得られた効果と同様の効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る微小移動装置及び位置決め装置について、図１、図４を参照して説明する。本実施形態に係る位置決め装置は、本実施形態に係る微小移動装置を２台用いて構築されたＸ−Ｙ移動テーブル１ａであり、x軸に沿って移動可能にｘ軸上に設置された微小移動装置１９ａと、ｙ軸に沿って移動可能にｙ軸上に設置された微小移動装置１９ｂとからなる。

図４に微小移動装置１９ａの移動体２０とガイドベース３との部分拡大図を示す。図４（ａ）は＋ｘ方向から見た微小移動装置１９ａの正面図である。図４（ｂ）は移動体２０を取り除いた状態でのガイドベース３の上面図である。なお、図４に示す符号のうち上述した符号と同じ符号を有する要素はそれらと同じ要素を表す。図１〜図３に示した微小移動装置２ａ及び２ｂと異なる部分についてのみ説明し、共通する部分についての重複説明は割愛する。

移動体２０とガイドベース３とは非磁性体製の球体形状のスペーサ１０及び磁性体製の円筒形状のスペーサ２１によって所定の空隙Ｗを持って対向するように配設されている。これらスペーサ１０及び２１は平面ガイド部１１及びV溝ガイド部１２に対応するそれぞれの位置において移動体２０側に接着固定されている。

ガイドベース３に設けられた永久磁石１５が作る磁気ループM２は、（永久磁石１５）→（V溝ガイド部１２）→（スペーサ２１）→（移動体２０）→（第二磁極部１８）→（永久磁石１５）なる閉回路を構成している。この磁気ループM２により、スペーサ２１及び第二磁極部１８が移動体２０を磁気吸引し、移動体２０とガイドベース３との間に予圧力が付与されるようになっている。

また、ｙ軸に沿って移動可能に配置された微小移動装置１９ｂの構成も、微小移動装置１９ａの構成と同じである。

このような構成の本実施形態に係る微小移動装置１９ａは、圧電素子６の急速変形を用いて駆動されて、ｘ軸方向に沿って微小ステップ動かされる。同様に、微小移動装置１９ｂは、ｙ軸方向に沿って微小ステップ動かされる。従って、微小移動装置１９ａ及び１９ｂからなるＸ−Ｙ移動テーブルは、ｘ軸及びｙ軸の各方向に沿って微小ステップ変位する。

これらの微小移動装置１９ａ及び１９ｂによれば、磁気ループM２の一部が強磁性体製の円筒形状のスペーサ２１を通るので、磁気抵抗を小さくすることができ、電磁吸引力の発生力を大きくすることができる。その結果、永久磁石１５を含む磁力発生手段の小型化を行うことが可能となり、装置全体の小型化が図れる。

微小移動装置１９ａ及び１９ｂでは、V溝ガイド部１２を接触摺動するスペーサ２１に強磁性体製の円筒形状スペーサが用いられて、かつ、移動体２０のうちの磁力発生手段の磁気ループを形成する部分と、ガイドベース３のうちの磁気ループを形成する部分とがそれぞれ強磁性体製である。このため、磁路の一部が強磁性体製の円筒形状スペーサを通るので、磁気抵抗を小さくすることができ、これにより、電磁吸引力の発生力を大きくすることができる。結果として、磁力発生手段の小型化による装置全体の小型化を図れる。

微小移動装置１９ａ及び１９ｂと、本発明の第１の実施形態に係る微小移動装置２ａ及び２ｂとが同じ大きさの予圧力を発生させる場合、微小移動装置１９ａ及び１９ｂと微小移動装置２ａ及び２ｂとは概ね同じ量（磁極部形状が異なるため、厳密には同じではない）の磁束を要する。微小移動装置１９ａ及び１９ｂでは、スペーサ２１を介して磁気ループを組むことができるため磁気抵抗を小さくすることができる。一方、微小移動装置２ａ及び２ｂのスペーサ８、９及び１０は強磁性体製のものではなく、磁気ループの一部に磁気的ギャップが含まれる。このため、微小移動装置２ａ及び２ｂの磁気抵抗は大きい。同じ量の磁束を発生させるためには、微小移動装置２ａ及び２ｂの磁気回路は、より大きな起磁力を要する。同じ大きさの予圧力を移動体２０及びガイドベース３の間に与える場合、微小移動装置２ａ、２ｂは大きな永久磁石１５を用いる必要があるが、微小移動装置１９ａ及び１９ｂは、より小さな永久磁石１５で済む。従って、この実施形態に係る微小移動装置１９ａ及び１９ｂによれば、微小移動装置２ａ、２ｂよりも装置の小型化を図ることができる。

また、これらの微小移動装置１９ａ及び１９ｂでは、V溝ガイド面と移動体２０とが面接触しておらず、これらのV溝ガイド面と移動体２０とが線接触している。従って、本発明のこの実施形態に係る微小移動装置１９ａ及び１９ｂによれば、従来の微小移動装置に比べてガイド性能の改善が図れる。

また、これらの微小移動装置１９ａ及び１９ｂでは、円筒状のスペーサ２１の長手方向の全面に亘って磁束がこのスペーサ２１から出て移動体２０へ入り、移動体２０から出る磁束はスペーサ１０に入っている。本実施形態に係る微小移動装置１９ａ及び１９ｂによれば、スペーサ２１の外表面の全面が磁気通路として使われており、磁路が外表面の全体に亘って分散しているため、大きな磁気吸引力が得られる。

また、本実施形態に係る位置決め装置によれば、コンパクトな構造で高精度なガイド駆動を実現することができるようになる。

本実施形態に係る微小移動装置１９ａ及び１９ｂの変形例として、微小移動装置は、ガイドベース３にスペーサ２１及び１０を埋め込むとともに、移動体２０の底面にＶ溝及び平面部が設けられるようにして構成されてもよい。この変形例に係る微小移動装置及び位置決め装置によれば、上下が反転した構造を用いても、上記効果と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る位置決め装置も、微小移動装置を２台用いて構築されたＸ−Ｙ移動テーブル１ｂであり、x軸に沿って移動可能にｘ軸上に設置された微小移動装置２２ａと、ｙ軸に沿って移動可能にｙ軸上に設置された微小移動装置２２ｂとからなる。微小移動装置２２ａの移動体２３とガイドベース３との部分拡大図を図５に示す。図５（ａ）は＋ｘ方向から見た微小移動装置２２ａの正面図である。図５（ｂ）は移動体２３を取り除いた状態でのガイドベース３の上面図である。図５に示す符号のうち上述した符号と同じ符号を有する要素はそれらと同じ要素を表す。図１〜図３に示した微小移動装置２ａ及び２ｂと異なる部分についてのみ説明し、共通する部分についての重複説明は割愛する。

移動体２３とガイドベース３とは磁性体製の円筒形状のスペーサ２４及び２５によって所定の空隙Ｗを持って対向するように配設されている。これらスペーサ２４及び２５の上部はそれぞれ平面ガイド部１１及びV溝ガイド部１２に対応する位置において移動体２３側に接着固定されている。

ガイドベース３に設けられた永久磁石１５が作る磁気ループM３は、（永久磁石１５）→（V溝ガイド部１２）→（スペーサ２５）→（移動体２３）→（スペーサ２４）→（平面ガイド部１１）→（永久磁石１５）なる閉回路を構成している。この磁気ループM３により、スペーサ２４及び２５が移動体２３を磁気吸引し、移動体２３とガイドベース３との間に予圧力が付与されるようになっている。

また、ｙ軸に沿って移動可能に配置された微小移動装置２２ｂの構成も、この微小移動装置２２ａの構成と同じである。

このような構成の本実施形態に係る微小移動装置２２ａ及び２２ｂはそれぞれｘ軸方向及びｙ軸方向に沿って微小ステップ動かされる。従って、これらの微小移動装置２２ａ及び２２ｂからなるＸ−Ｙ移動テーブルは、ｘ軸及びｙ軸の各方向に沿って微小ステップ変位する。

本実施形態に係る微小移動装置２２ａ及び２２ｂによれば、磁気ループM３の一部が強磁性体製の円筒形状のスペーサ２４及び２５を通るので、磁気抵抗を極めて小さくすることができ、これにより、電磁吸引力の発生力を大幅に向上させることができるようになる。その結果、永久磁石１５を含む磁力発生手段の小型化を行うことが可能となり、装置全体の小型化が図れる。

また、微小移動装置２２ａ及び２２ｂでは、V溝ガイド面と移動体２３とが面接触しておらず、これらのV溝ガイド面と移動体２３とが線接触している。従って、本発明のこの実施形態に係る微小移動装置２２ａ及び２２ｂによれば、従来の微小移動装置に比べてガイド性能の改善が図れる。

また、スペーサ２５の長手方向の全面に亘って磁束がこのスペーサ２５から出て移動体２３へ入り、移動体２３から出る磁束はスペーサ２４に入っている。微小移動装置２２ａ及び２２ｂによれば、半円筒型のスペーサ２４及び２５の外表面の全面が磁気通路にされており、磁路が面の全体的に亘って分散しているため、大きな磁気吸引力が得られる。

また、本実施形態に係る位置決め装置によれば、コンパクトな構造で高精度なガイド駆動を実現することができるようになる。

また、変形例として、本実施形態に係る微小移動装置は、ガイドベース３にスペーサ２５及び２４が埋め込まれるとともに、移動体２３の底面にＶ溝及び平面部が形成されるように構成されてもよい。このようにして上下が反転した構造を用いたこの変形例に係る微小移動装置及び位置決め装置によっても、上記効果と同様の効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る微小移動装置を２台用いて構築されたＸ−Ｙ移動テーブルは、x軸に沿って移動可能にｘ軸上に設置された微小移動装置と、ｙ軸に沿って移動可能にｙ軸上に設置された微小移動装置とからなる。移動方向が＋ｘ方向及び−ｘ方向になるように配置された微小移動装置２６ａの移動体２７とガイドベース２８との部分拡大図を図６に示す。図６（ａ）は＋ｘ方向から見た微小移動装置２６ａの正面図である。図６（ｂ）は移動体２７を取り除いた状態でのガイドベース２８の上面図である。

移動体２７とガイドベース２８とは非磁性体製の球体形状のスペーサ８、９及び１０によって所定の空隙Ｗを持って対向するように配設されている。ガイドベース２８の上には、スペーサ１０が接触摺動する平面ガイド部１１と、スペーサ８及び９が接触摺動するV溝ガイド部１２とが形成されている。これらスペーサ８、９及び１０の上部は平面ガイド部１１及びV溝ガイド部１２に対応するそれぞれの位置において移動体２７側に接着固定されている。

移動体２７とガイドベース２８とはいずれも非磁性体からなり、さらに、ガイドベース２８は、平面ガイド部１１側とV溝ガイド部１２側とに概ね２分割された構造を有し、分割体２９及び３０の間に永久磁石３１をサンドイッチした構成となっている。本実施形態に係る微小移動装置２６ａでは、ガイドベース２８の断面形状は、図１〜図３に示した微小移動装置２ａのガイドベース３のそれと異なる。溝長さ方向と直交する方向についての分割体２９の幅は図３の分割体１３の幅よりも長くされており、分割体３０の幅は図３の分割体１４の幅よりも短くされている。分割体３０の上面には段差部が形成されておらず、分割体３０の上面がガイドベース３の上面よりも低くなるように平面ガイド部１１は配置されている。分割体２９の上面と永久磁石３１の上面とが略面一となる状態でこの永久磁石３１は分割体２９及び３０の間に挟まれている。

また、移動体２７には、永久磁石３１と対面する位置に永久磁石３２が永久磁石３１と空隙Wを持って対向配置されている。これら永久磁石３１及び３２が互いに磁気吸引を行うことによって、移動体２７とガイドベース２８との間に予圧力が付与されるようになっている。図６に示す符号のうちこれら以外の符号で上述した符号と同じ符号を有する要素はそれらと同じ要素である。

また、ｙ軸上に配置された微小移動装置の構成も、この微小移動装置２６ａの構成と同じである。

このような構成により、微小移動装置２６ａはｘ軸方向に沿って微小ステップ動かされるとともに、移動方向が＋ｙ方向及び−ｙ方向になるように配置された微小移動装置はｙ軸方向に沿って微小ステップ動かされる。これにより、Ｘ−Ｙ移動テーブルは、ｘ軸及びｙ軸の各方向に沿って微小ステップ変位する。

本実施形態に係る２台の微小移動装置によれば、移動体２７とガイドベース２８とにそれぞれ非磁性体製の材料が用いられているので、装置の大幅な軽量化を図ることができる。

本実施形態に係る２台の微小移動装置では、スペーサ８、９及び１０に非磁性体製の球体形状スペーサのみが用いられており、また、移動体２７及びガイドベース２８は非磁性体製である。更に永久磁石３１及び３２が移動体２７及びガイドベース２８の双方に対向配置されている。接触状態が線接触である微小移動装置を用いる際には接触面について高い加工精度と高い組立精度とを要求されるが、本実施形態に係る微小移動装置によれば、V溝ガイド部１２についての加工条件の制約は緩和され、製作コストの低下や量産性の向上を期待することができる。

また、スペーサ８、９及び１０の下部とガイドベース２８との間の接触状態が全て点接触であるので、本実施形態に係る微小移動装置によれば、加工や組立の誤差による摺動特性のバラツキを小さく抑えることができ、移動特性の安定性の向上が図れる。さらに、移動体２７はガイドベース２８と概ね３点で接触する安定支持性能を獲得でき、長ストロークで精密な位置決め性能を比較的安価に実現できる。

また、本実施形態に係る２台の微小移動装置では、V溝ガイド面と移動体２７とが面接触しておらず、これらのV溝ガイド面と移動体２７とが点接触している。従って、本発明のこの実施形態に係る微小移動装置によれば、従来の微小移動装置に比べてガイド性能の改善が図れる。

また、本実施形態に係る位置決め装置としてのＸ−Ｙ移動テーブルによれば、コンパクトな構造で高精度なガイド駆動を実現することができるようになる。

また、変形例として本実施形態に係る微小移動装置は、ガイドベース２８にスペーサ８、９及び１０が埋め込まれるとともに、移動体２７の底面にＶ溝及び平面部が形成されるように構成されてもよい。このように上下が反転した構造を用いても、この変形例に係る微小移動装置及び位置決め装置によれば、上記効果と同様の効果を得ることができる。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。第４の実施形態の微小移動装置２６ａでは、左側のＶ溝ガイド部１２に球体形状のスペーサ８、９が設けられ、右側の平面ガイド部１１にも球体形状のスペーサ１０が設けられていた。この微小移動装置２６ａは、Ｖ溝ガイド部１２に円筒形状のスペーサを設け且つ平面ガイド部１１に球体形状のスペーサを設ける配置、Ｖ溝ガイド部１２及び平面ガイド部１１の双方に円筒形状のスペーサを設ける配置、又はＶ溝ガイド部１２に球体形状のスペーサを設け且つ平面ガイド部１１に円筒形状のスペーサを設ける配置を用いることができる。

また、永久磁石３１及び３２が移動体２７及びガイドベース２８の双方に対向配置された構成を示したが、永久磁石３１及び３２のうちの何れか一方を強磁性体製の部材に置き換えることができる。

上記実施形態では平面ガイド部１１はガイドベース３上面よりも低い底面を有するものであったが、本発明の実施の形態に係る微小移動装置及び位置決め装置はガイドベース３上面を平面ガイド部としてもよい。

さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る位置決め装置の斜視図である。 図１の位置決め装置の分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る微小移動装置の移動体とベースとの部分拡大図である。 本発明の第２の実施形態に係る微小移動装置の移動体とベースとの部分拡大図である。 本発明の第３の実施形態に係る微小移動装置の移動体とベースとの部分拡大図である。 本発明の第４の実施形態に係る微小移動装置の移動体とベースとの部分拡大図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ…Ｘ−Ｙ移動テーブル（位置決め装置）、２ａ，２ｂ，１９ａ，１９ｂ，２２ａ，２２ｂ，２６ａ…微小移動装置、３…ガイドベース（ベース）、４…衝撃力発生手段、５，２０，２３，２７…移動体、６…圧電素子、７…慣性体、８〜１０…球体形状スペーサ、１１…平面ガイド部、１２…V溝ガイド部（溝）、１３，１４，２９，３０…分割体、１５，３１，３２…永久磁石（磁力発生手段）、１６，１７…第一磁極部、１８…第二磁極部、２１，２４，２５…円筒形状スペーサ。

Claims (8)

1. 少なくとも一部に磁性体を含むベースと、
   このベース上面に形成されたほぼ直線状の溝からなる溝ガイド部と、
   この溝ガイド部に平行に形成された前記ベース上面の平面ガイド部または前記ベース上面よりも低い底面を有する平面ガイド部と、
   前記溝ガイド部内を摺動可能に設けられた第１のスペーサと、
   前記平面ガイド部内を摺動可能に設けられた第２のスペーサと、
   前記第１のスペーサ及び前記第２のスペーサに固定され、前記ベース上面に設けられて、少なくとも一部に磁性体を含む移動体と、
   この移動体に衝撃力を付与することにより、この移動体を前記ベース面上で移動させる衝撃力発生手段と、
   前記移動体と前記ベースとを相互に吸引させる磁力を発生する磁力発生手段と、を備えたことを特徴とする微小移動装置。
2. 前記第１のスペーサは球体形状又は円筒形状であり、前記第２のスペーサは球体形状又は円筒形状であることを特徴とする請求項１記載の微小移動装置。
3. 前記第１のスペーサ及び前記第２のスペーサのうちの円筒形状である第１のスペーサ又は第２のスペーサは、強磁性体からなることを特徴とする請求項２記載の微小移動装置。
4. 前記第１のスペーサは、それぞれが前記溝ガイド部に沿って離間して配置された２つ以上のスペーサから構成されて、これらの２つ以上のスペーサはこの溝ガイド部に沿って摺動可能にされたことを特徴とする請求項１記載の微小移動装置。
5. 前記磁力発生手段は、前記第１のスペーサ及び前記第２のスペーサの間に配設されたことを特徴とする請求項１記載の微小移動装置。
6. ベースと、
   このベース上面に形成されたほぼ直線状の溝からなる溝ガイド部と、
   この溝ガイド部に平行に形成された前記ベース上面の平面ガイド部または前記ベース上面よりも低い底面を有する平面ガイド部と、
   前記溝ガイド部内を摺動可能に設けられた第１のスペーサと、
   前記平面ガイド部内を摺動可能に設けられた第２のスペーサと、
   前記第１のスペーサ及び前記第２のスペーサに固定され、前記ベース上面に設けられた移動体と、
   この移動体に衝撃力を付与することにより、この移動体を前記ベース面上で移動させる衝撃力発生手段と、
   それぞれが対向して前記移動体と前記ベースとに設けられて、前記移動体と前記ベースとを相互に吸引させる磁力を発生する磁力発生手段と、を備えたことを特徴とする微小移動装置。
7. 第１の微小移動装置と、
   第２の微小移動装置と、を備え、
   前記第１の微小移動装置及び前記第２の微小移動装置は、
   少なくとも一部に磁性体を含むベースと、
   このベース上面に形成されたほぼ直線状の溝からなる溝ガイド部と、
   この溝ガイド部に平行に形成された前記ベース上面の平面ガイド部または前記ベース上面よりも低い底面を有する平面ガイド部と、
   前記溝ガイド部内を摺動可能に設けられた第１のスペーサと、
   前記平面ガイド部内を摺動可能に設けられた第２のスペーサと、
   前記第１のスペーサ及び前記第２のスペーサに固定され、前記ベース上面に設けられて、少なくとも一部に磁性体を含む移動体と、
   この移動体に衝撃力を付与することにより、この移動体を前記ベース面上で移動させる衝撃力発生手段と、
   前記移動体と前記ベースとを相互に吸引させる磁力を発生する磁力発生手段と、を備え、
   前記第１の微小移動装置と前記第２の微小移動装置とはそれぞれの溝ガイド部の溝方向が交叉するように配置され、且つ前記第１の微小移動装置の前記ベースと前記第２の微小移動装置の前記移動体とが固定され、前記第１の微小移動装置が前記第２の微小移動装置のベース上で移動することを特徴とする位置決め装置。
8. 第１の微小移動装置と、
   第２の微小移動装置と、を備え、
   前記第１の微小移動装置及び前記第２の微小移動装置は、
   ベースと、
   このベース上面に形成されたほぼ直線状の溝からなる溝ガイド部と、
   この溝ガイド部に平行に形成された前記ベース上面の平面ガイド部または前記ベース上面よりも低い底面を有する平面ガイド部と、
   前記溝ガイド部内を摺動可能に設けられた第１のスペーサと、
   前記平面ガイド部内を摺動可能に設けられた第２のスペーサと、
   前記第１のスペーサ及び前記第２のスペーサに固定され、前記ベース上面に設けられた移動体と、
   この移動体に衝撃力を付与することにより、この移動体を前記ベース面上で移動させる衝撃力発生手段と、
   それぞれが対向して前記移動体と前記ベースとに設けられて、前記移動体と前記ベースとを相互に吸引させる磁力を発生する磁力発生手段と、を備え、
   前記第１の微小移動装置と前記第２の微小移動装置とはそれぞれの溝ガイド部の溝方向が交叉するように配置され、且つ前記第１の微小移動装置の前記ベースと前記第２の微小移動装置の前記移動体とが固定され、前記第１の微小移動装置が前記第２の微小移動装置の前記ベース上で移動することを特徴とする位置決め装置。

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